Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò kiểm tra, đánh giá chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò kiểm tra đánh giá chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm.”, được thực hiện nhằm mục đích đưa ra một số phương án thiết kế và thử nghiệm giúp kiểm tra chất lượng mối hàn đường ống thép.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò kiểm tra, đánh giá chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HẢI ĐĂNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ HÀNH MANG ĐẦU DÒ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG ỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 6 9 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HẢI ĐĂNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ HÀNH MANG ĐẦU DÒ KIỂM TRA CHẤT LƢỢNG ỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Thiện Ngôn Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
LỜI CAM KẾT Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ HÀNH MANG ĐẦU DÒ KIỂM TRA CHẤT LƢỢNG ỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM.”. - GVHD: PGS. TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN - Học viên: NGUYỄN HẢI ĐĂNG - MSHV: 138520103003 - Điện thoại: 0989370009 - Email: nguyenhaidangq7@yahoo.com.vn nguyenhaidang83@gmail.com Lời cam kết: “Tôi xin cam kết đây là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 09 năm 2015 Ký tên -i-
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò kiểm tra, đánh giá chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm.”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô các chuyên gia, các công ty, bạn bè và gia đình. Tôi xin cảm ơn: Xin cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn đã dành nhiều thời gian quan tâm, truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hướng dẫn, định hướng, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Lê Chí Cương đã giành nhiều thời gian truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích, giúp đỡ tận tình, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn quý thầy, cô Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho tôi trong thời gian tôi học tập và nghiện cứu tại trường. Xin cảm ơn tập thể kỹ sư công ty TNHH Lucassen Precision Asia đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên giúp tôi hoàn thành khóa học của mình. Xin chân thành cảm ơn. ii
TÓM TẮT Cùng với sự phát triển của kinh tế và xã hội thì nhu cầu về nguồn năng lượng ngày càng tăng. Hiện nay nước ta đang đầu tư xây dựng hệ thống nhà máy lọc dầu nhằm làm giảm áp lực nhập khẩu về năng lượng của như sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu nước ngoài. Nhu cầu vận chuyển, cung cấp các nguồn nhiên liệu như dầu mỏ, khí đốt… đang được quan tâm rất nhiều. Do đó, việc sử dụng rất nhiều đường ống và đặt biệt là ống thép là rất lớn để giải quyết vấn đề như vận chuyển, dự trữ. Vấn đề đặt ra là an toàn đường ống và việc kiểm soát chất lượng ống khi chế tạo và đưa vào vận hành. Xuất phát từ thực tiễn, nhiều nghiên cứu và thiết bị đã được chế tạo, thử nghiệm và đưa vào sử dụng. Một trong số đó là phương pháp kiểm tra không phá hủy được ứng dụng nhiều như: siêu âm, quang học, thẩm thấu… Trong nước, các thiết bị đang được sử dụng đa số nhập khẩu từ nước ngoài, các công trình nghiên cứu về vấn đề kiểm tra vẫn chưa được đẩy mạnh. Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm.”, được thực hiện nhằm mục đích đưa ra một số phương án thiết kế và thử nghiệm giúp kiểm tra chất lượng mối hàn đường ống thép. Đường ống được dùng rất nhiều trong hệ thống, đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển, truyền tải, lưu trữ nên yêu cầu chất lượng phải luôn đảm bảo. Khuyết tật ảnh hưởng đến đường ống chủ yếu là khuyết tật mối hàn nối giữa các đường ống và khuyết tật ăn mòn do môi trường với tác nhân bên trong và bên ngoài làm bề dày ống không đảm bảo. Việc kiểm tra, kiểm định chất lượng và khuyết tật của đường ống có nhiều phương pháp. Một trong số đó là những phương pháp kiểm tra không phá hủy NDT được ứng dụng nhiều như chụp ảnh phóng xạ, bột từ, dòng điện, rò rỉ, siêu âm, thẩm thấu, quang học, truyền âm, siêu âm tổ hợp pha… Hiện tại có rất nhiều phương pháp kiểm tra như kiểm tra mối hàn giáp mối, kiểm tra dọc ống bằng tay hoặc tự động, kiểm tra ăn mòn, kiểm tra bồn chứa xăng dầu. Tuy nhiên tất cả các thiết bị kiểm tra chủ yếu nhập từ nước ngoài nên chi phí rất cao. Phương pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) là phương pháp mới nhất cho kết quả chính xác, nhanh, hình ảnh màu 3 chiều vẫn chưa được ứng dụng nhiều ở nước ta. Từ những vấn đề thực trạng trên, đề tài sẽ tập trung tìm hiểu về phương pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) và thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra mối hàn và thiết bị kiểm tra ăn mòn đường ống sử dụng đầu siêu âm tổ hợp pha cho các đường ống dẫn từ 90mm trở lên iii
ABSTRACT With economic and social development, the demand for energy is increasing. Currently, our country have been investing in building the refinery system to reduce pressure very much in energy imports including foreign fuel sources such as oil, gas. Therefore, the use of a lot of pipes and steel tubes are especially great to resolve issues such as transportation, storage. The issue is safe in controling quality for pipes and tubes when manufacturing and commissioning procedures. Practically, research and equipment have been manufactured, tested and put into use. One of them is the method of nondestructive testing is applied much as ultrasound, optical, permeable ... In Vietnam, most equipment has being imported. Thus, research in issues have not yet been checked strictly. The theme "research, design and manufacture of automatic equipment bring probes for testing tube quality by ultrasound technology."is done in purpose for some designed and tested plans to check quality of welded steel pipes. Pipelines are used in the system. It is very important in transport, transmission, storage. Almost defects of pipes are affected by environmental factors inside and outside resulting in guarantee of pipe thickness. There are multiple methods in inspecting and accrediting for pipeline defects. Nondestructive testing NDT is used as the most popularest one including radiographic, magnetic powder, currents, leakage, ultrasound, osmosis, optical, acoustic, ultrasonic complex challenge ... Currently, there is a lot of testing methods such as butt weld inspection, testing along the pipe by hand or automatically, checking corrosion and inspecting fuel tanks. However, all testing equipment mainly are imported. Therefore, it is expensive to acquired them. The ultrasonic testing phase combination (UT-PA) method is the newest one for accurate and fast results with 3-D color images. However, it has not yet been used popularly in our country. iv
MỤC LỤC LỜI CAM KẾT ................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii TÓM TẮT ...................................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. xi DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... xv CHƢƠNG 1:GIỚI THIỆU .......................................................................................... 16 1.1 Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 17 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................... 17 1.2.1 Ý nghĩa khoa học .......................................................................................... 18 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................... 18 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ....................................................................... 18 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 18 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu của đề tài .................................................................. 18 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 18 1.5 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 19 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận .............................................................................. 19 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể ............................................................ 19 1.6 Kết cấu của luận văn ....................................................................................... 19 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN ........................................................................................ 20 2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ .................................................................. 20 2.1.1 Ống thép đúc ................................................................................................ 20 2.1.2 Ống thép hàn ................................................................................................ 21 2.2.1 Ống inox (ống thép không gỉ) ...................................................................... 21 2.2.2 Ống thép tròn đen ......................................................................................... 22 2.2.3 Ống thép mạ kẽm ......................................................................................... 22 2.3 Các loại mối hàn ống ...................................................................................... 23 v
2.4 Khuyết tật mối hàn .......................................................................................... 24 2.4.1 Nứt ................................................................................................................ 25 2.4.2 Rỗ khí ........................................................................................................... 27 2.4.3 Lẫn xỉ............................................................................................................ 28 2.4.4 Không ngấu .................................................................................................. 29 2.4.5 Lẹm chân và chảy loang ............................................................................... 30 2.4.6 Khuyết tật về hình dạng ............................................................................... 30 2.5 Khuyết tật ăn mòn kim loại ............................................................................. 31 2.5.1 Cấu tạo của kim loại và ảnh hưởng của nó đến quá trình ăn mòn ............... 31 2.5.2 Sự ăn mòn kim loại ...................................................................................... 31 2.6 Thiết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại ................................................................ 35 2.6.1 Trong nước ................................................................................................... 35 2.6.2 Ngoài nước. .................................................................................................. 36 2.7 Các tồn tại và định hướng nghiên cứu: ........................................................... 38 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 39 3.1 Kiểm tra phá hủy ............................................................................................. 39 3.1.1 Kiểm tra thử kéo kim loại đắp...................................................................... 39 3.1.2 Kiểm tra thử độ dai va đập ........................................................................... 39 3.1.3 Kiểm tra thử độ cứng. .................................................................................. 39 3.1.4 Kiểm tra thử phá gãy mối hàn ...................................................................... 39 3.2 Kiểm tra không phá hủy (NDT)Non-Destructive-Testing.............................. 39 3.2.1 Kiểm tra bằng thị giác và quang học............................................................ 41 3.2.2 Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu (Penetrant Testing - PT) ..................... 42 3.2.3 Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ. ......................................... 43 3.2.4 Kiểm tra bằng bột từ..................................................................................... 44 3.2.5 Kiểm tra bằng truyền âm .............................................................................. 45 3.2.6 Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy ................................................ 45 3.2.7 Kiểm tra bằng siêu âm.................................................................................. 46 vi
3.2.8 Siêu âm Phased Array (PA) ......................................................................... 48 CHƢƠNG4: YÊU CẦU VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ .......................................... 58 4.1 Phân tích đối tượng thiết kế ............................................................................. 58 4.1.1 Thiết bị kiểm tra mòn ................................................................................... 58 4.1.2 Thiết bị kiểm tra mối hàn nối ống ................................................................ 59 4.2 Phương án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu kẹp và dẫn động .............................. 60 4.2.1 Phương án thiết kế cho cơ cấu kẹp ............................................................... 60 4.2.2 Phương án chuyển động dọc ống ................................................................. 64 4.3 Phương án thiết kế cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống ........................ 68 4.3.1 Phương án 1.................................................................................................. 68 4.3.2 Phương án 2.................................................................................................. 70 4.3.3 So sánh và lựa chọn phương án chuyển động tròn quanh ống .................... 71 4.4 Phương án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu đo mối hàn đường ống .................... 71 4.4.1 Phân tích kẹp, lực áp đầu dò vào ống .......................................................... 71 4.4.2 Phương án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra đường hàn ........... 72 4.5 Phương án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra mòn ......................... 73 4.6 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò ........................................................... 74 4.7 Thiết kế cơ cấu cụm bánh xe từ....................................................................... 75 4.8 Thiết kế hộp động cơ ....................................................................................... 76 4.9 Lựa chọn phương án thiết kế khung sườn ...................................................... 76 4.9.1 Phương án 1: Sử dụng bộ kẹp kết hợp bánh xe từ ....................................... 76 4.9.2 Phương án 2: Sử dụng 2 bộ kẹp ở 2 đầu ..................................................... 77 4.10 Phương án chọn lựa thiết kế đo mối hàn vòng ống ....................................... 78 4.10.1 Xác định sai lệch của đầu dò so với mối hàn ............................................. 78 4.10.2 Phân tích lựa chọn thiết bị phản hồi vị trí:................................................. 80 4.11 Thiết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống .......................................................... 82 4.12 Phương án tháo lắp vòng định vị................................................................... 82 4.12.1 Cấu tạo chốt tháo lắp nhanh (locking pin) ................................................ 82 vii
4.12.2 Phương án 1: Dùng bu lông để tháo lắp .................................................... 84 4.12.3 Phươngán 2: Dùng 04 chốt tháo lắp nhanh ................................................ 84 4.12.4 Phương án 3: Dùng chốt định vị kết hợp với 01 chốt tháo lắp nhanh ...... 85 4.12.5 So sánh các phương án và lựa chọn ........................................................... 86 CHƢƠNG 5: CHẾ TẠO THIẾT BỊ ........................................................................... 87 5.1 Chế tạo bộ kẹp ................................................................................................. 87 5.2 Chế tạo cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống .......................................... 88 5.3 Chế tạo cơ cấu chuyển động dọc ống .............................................................. 89 5.4 Chế tạo cơ cấu mang đầu dò ............................................................................ 89 5.5 Chế tạo cơ cấu cụm bánh xe từ ........................................................................ 90 5.6 Chế tạo cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò ............................................................ 91 5.7 Chế tạo hộp động cơ ........................................................................................ 91 5.8 Thiết bị đo mối hàn vòng ống.......................................................................... 92 5.8.2 Quy trình kiểm tra, đánh giá thực nghiệm ................................................... 93 5.9 Thiết bị đo sử dụng cụm bánh xe từ ................................................................ 94 CHƢƠNG 6: KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ ............................................. 95 6.1 Chuẩn bị thiết bị đo ......................................................................................... 95 6.1.1 Bộ quét và thiết bị ....................................................................................... 95 6.1.2 Đầu dò và nêm.............................................................................................. 95 6.1.3 Chất tiếp âm ................................................................................................. 95 6.1.4 Chuẩn........................................................................................................... 95 6.2 Chuẩn bị bề mặt đo .......................................................................................... 96 6.3 Kiểm tra và vận hành thiết bị .......................................................................... 96 6.3.1 Vùng kiểm tra ............................................................................................... 96 6.3.2 Kim loại cơ bản ............................................................................................ 96 6.3.3 Hiệu chỉnh (Transfer correction).................................................................. 96 6.3.4 Tốc độ quét ................................................................................................... 97 viii
6.3.5 Kiểm tra với đầu dò PA................................................................................ 97 6.3.6 Kiểm tra thiết bị............................................................................................ 97 6.3.7 Nứt ngang ..................................................................................................... 97 6.3.8 Tiêu chuẩn chấp nhận................................................................................... 98 6.3.9 Xuất hình ảnh báo cáo .................................................................................. 98 6.4 Thử nghiệm ...................................................................................................... 99 6.4.1 Thực nghiệm xác định lực của lò xo ............................................................ 99 6.4.2 Thực nghiệm xác định sai số vòng của đầu dò........................................... 101 6.4.3 Thực nghiệm xác định sai số dọc trục ........................................................ 102 6.5 Thực nghiệm đo với Omni Scan và đầu dò ................................................... 102 6.5.1 Thử nghiệm với mối hàn vòng ống ............................................................ 103 6.5.2 Thử nghiệm ăn mòn .................................................................................... 106 CHƢƠNG 7 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................. 109 7.1 Kết luận .......................................................................................................... 109 7.2 Kiến nghị........................................................................................................ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 110 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 112 8.1 Kết cấu tổng thể của cơ cấu ........................................................................... 112 8.2 Tính toán cơ khí ............................................................................................. 112 8.2.1 Tính toán bộ truyền bánh răng ................................................................... 112 8.2.2 Tính toán bộ truyền đai .............................................................................. 114 ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DAC Digital to Analogue Converter MPI Magnetic Particle Inspection NDT Non - Destructive Testing NDE Non - Destructive Evaluation NDI Non - Destructive Inspection LPI Liquid Penetran Inspection PA Phased Array UI Untrasonic Inspection VT Visual Test PT Penetrant Test MT Magnetic particle test ET Eddy Current Test RT Radiographic Test UT Ultrasonic Test AET Acoustic Emission Testing LT Leak Testing API Amrican Petreleun Instiute GB Great Britain ASME American Society of Mechanical Engineers ASTM American Society for Testing and Materials UT-PA Ultrasonic Test Phase Array x
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.2:Ống thép không gỉ [2] ............................................................................... 21 Hình 2.3:Ống thép tròn đen [3] ................................................................................ 22 Hình 2.4:Ống thép mạ kẽm [3] ................................................................................ 23 Hình 2.5:Mối hàn dọc ống [4] .................................................................................. 23 Hình 2.6:Mối hàn ngang ống [5].............................................................................. 24 Hình 2.7:Mối hàn xoắn ống [6]................................................................................ 24 Hình 2.8:Các khuyết tật của mối hàn [7] ................................................................ 25 Hình 2.9:Các kiểu nứt trong mối hàn [8] [9] ........................................................... 26 Hình 2.10:Ảnh chụp nứt mối hàn [10] ..................................................................... 27 Hình 2.11:Khuyết tật rỗ khí ..................................................................................... 27 Hình 2.12:Các vị trí tồn tại rỗ khí [11] .................................................................... 28 Hình 2.13:Khuyết tật lẫn xỉ [11] .............................................................................. 28 Hình 2.14:Khuyết tật xỉ hàn ..................................................................................... 29 Hình 2.16:Hình chụp khuyết tật không ngấu ........................................................... 30 Hình 2.17:Khuyết tật lẹm chân(cháy chân), chảy loang (tràn) ................................ 30 Hình 2.18:Các sai lệch hình dạng của mối hàn........................................................ 31 Hình 2.19:Dạng mòn các kim loại theo thời gian [20] ............................................ 32 Hình 2.20:Dạng ăn mòn đều [13] ............................................................................ 33 Hình 2.21:Dạng ăn mòn không đều [13] ................................................................. 33 Hình 2.23:Dạng ăn mòn giữa các tinh thể [13]........................................................ 34 Hình 3.1:Các phương pháp kiểm tra không phá hủy [17] ....................................... 40 Hình 3.2:Các phương pháp kiểm tra chủ yếu .......................................................... 40 Hình 3.3:Sử dụng borescopes kiểm tra [17] ............................................................ 41 Hình 3.4:Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu ........................................................... 42 Hình 3.5:Chụp phim đường hàn .............................................................................. 43 Hình 3.6:Sử dụng hạt huỳnh quang ướt để kiểm tra vết nứt gần lỗ tra dầu ............. 44 Hình 3.7:Sử dụng hạt huỳnh quang ướt để kiểm tra các vết nứt của trục ............... 44 Hình 3.8:Thiết bị kiểm tra bột từ ............................................................................. 45 Hình 3.9:Kiểm tra bằng dòng diện xoáy .................................................................. 46 Hình 3.10:Nguyên lý siêu âm kiểm tra khuyết tật vật liệu [20] .............................. 47 xi
Hình 3.11:Các loại máy siêu âm khuyết tật TOKIMEC [20] ................................. 47 Hình 3.12:Thiết bị siêu âm Phased Array ................................................................ 49 Hình 3.13:Thành phần cơ bản của hệ thống Phased Array [21] .............................. 49 Hình 3.14:Đầu dò Phased Array [22] ...................................................................... 50 Hình 3.15:Mặt cắt đầu dò Phased Array [22] .......................................................... 50 Hình 3.16:Các dạng đầu dò Phased Array của hãng olympus NDT [21] ................ 51 Hình 3.17:Các loại nêm đầu dò Phased Array [22] ................................................. 51 Hình 3.18:Sự tạo thành chùm tia và thời gian trễ cho sự phát và nhận chùm tia ... 52 Hình 3.19:Điều khiển các chùm tia siêu âm [22] .................................................... 53 Hình 3.20:Khẩu độ hiệu dụng [22] .......................................................................... 53 Hình 3.21:Quét tuyến tính với chùm tia thẳng và hình ảnh A scan [22] ................. 54 Hình 3.22:Quét tuyến tính với chùm góc và hình ảnh A scan [22] ......................... 54 Hình 3.23:Hình ảnh sóng thẳng A-scan [22] ........................................................... 55 Hình 3.24:Hình ảnh A-scan của chùm tia góc [22] ................................................. 55 Hình 3.25:Hiển thị B-scan [22] ................................................................................ 56 Hình 3.26:Mặt Cắt B-scan [22]................................................................................ 56 Hình 3.27:Hình ảnh C-scan thông thường hiển thị vị trí lỗ [22] ............................. 56 Hình 3.28:Hình ảnh C-scan tổ hợp pha hiển thị vị trí lỗ [22] .................................. 57 Hình 3.29:Hình ảnh C-scan kiểm tra đường hàn [22] ............................................. 57 Hình 3.30:Hình ảnh S-scan ở góc quét -300 đến 300 [22] ...................................... 57 Hình 4.1:Các chuyển động cần có của thiết bị ........................................................ 58 Hình 4.2:Thiết bị dùng mâm cặp 3 chấu [23] .......................................................... 60 Hình 4.3:Bộ kẹp cố định .......................................................................................... 61 Hình 4.4:Bộ kẹp cố định trên ống ............................................................................ 62 Hình 4.6:Cơ cấu tay quay cho bộ kẹp ...................................................................... 64 Hình4.7:Xi lanh khí nén dẫn hướng......................................................................... 64 Hình 4.8:Bộ truyền đai và thanh trượt bi ................................................................. 65 Hình 4.9:Bộ trục vít và thanh trượt bi ...................................................................... 65 Hình4.10:Thiết kế cơ cấu sử dụng 2 thanh trượt ..................................................... 67 Hình 4.11:Thiết kế cơ cấu sử dụng 3 thanh trượt .................................................... 67 Hình 4.12:Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống theo phương án 1 ................. 68 xii
Hình 4.13:Chi tiết cụm bánh xe phương án 1 .......................................................... 69 Hình 4.14:Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống theo phương án 2 ................. 70 Hình 4.15:Chi tiết cụm bánh xe phương án 2 .......................................................... 71 Hình 4.16:Đặt đầu dò so với mối hàn [24] .............................................................. 71 Hình 4.17:Khoảng cách lớn nhất của nêm so với mặt cong 0,5mm ........................ 71 Hình 4.18:Hướng đặt đầu dò siêu âm tổ hợp pha [24] ............................................ 72 Hình 4.19:Cụm mang đầu dò phương án 1 .............................................................. 72 Hình 4.20:Cụm mang đầu dò phương án 2 .............................................................. 72 Hình 4.21:Bộ kẹp dùng thanh trượt với lò xo .......................................................... 73 Hình 4.22:Cụm chi tiết xoay .................................................................................... 74 Hình 4. 23:Cụm chi tịnh tiến.................................................................................... 74 Hình 4.24:Cụm chi tiết trượt .................................................................................... 75 Hình 4.25:Cơ cấu cụm bánh xe từ ........................................................................... 75 Hình 4.26:Hộp động cơ ............................................................................................ 76 Hình 4.27:Phương án thiết kế bộ kẹp kết hợp với bánh xe từ ................................. 76 Hình 4.28:Cơ cấu mang đầu dò sử dụng 2 bộ kẹp ở hai đầu ................................... 77 Hình 4.29:Cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn ................................................ 78 Hình 4.30:Laser đường thẳng .................................................................................. 79 Hình 4.31:Camera quan sát ...................................................................................... 79 Hình 4.32:Encoder gắn trên động cơ ....................................................................... 80 Hình 4.33:Hình dáng thước quang ........................................................................... 81 Hình 4.34:Thiết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống .................................................... 82 Hình 4.35:Chốt tháo lắp nhanh [25] ........................................................................ 83 Hình 4.36:Nguyên lí hoạt động của chốt tháo lắp [25]............................................ 83 Hình 4.37:Phương án dùng bu lông để tháo lắp ...................................................... 84 Hình 4.38:Phương án dùng chốt tháo lắp ................................................................ 85 Hình 4.39:Phương án dùng chốt định vị kết hợp với chốt tháo lắp ......................... 85 Hình 5.2:Thanh nối .................................................................................................. 88 Hình 5.3:Tấm đỡ ...................................................................................................... 88 Hình 5.4:Cơ cấu chuyển động dọc ống .................................................................... 89 Hình 5.5:Cơ cấu giữ đầu dò ..................................................................................... 89 xiii
Hình 5.6:Cơ cấu cụm bánh xe từ ............................................................................. 90 Hình 5.7:Cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò.................................................................. 91 Hình 5.8:Hộp động cơ .............................................................................................. 92 Hình 5.9:Thiết bị kiểm tra OMNISCAN của hãng OLYMPUS .............................. 92 Hình 5.10:Lắp đầu dò siêu âm vào cụm đầu dò....................................................... 93 Hình 6.1:Sơ đồ thiết bị đo ........................................................................................ 95 Hình 6.2:Bộ phận kẹp đầu dò sử dụng lò xo ép và lực kế kiểm tra ......................... 99 Hình 6.3:Bộ phận kẹp đầu dò, thước kẹp, máy tiện, đồng hồ so ........................... 101 Hình 6.4:Các vị trí đặt đầu dò bắt đầu thử nghiệm vòng ....................................... 101 Hình 6.5:Bộ phận tiến hành thử nghiệm ................................................................ 102 Hình 6.6:Các vị trí đặt đầu dò bắt đầu thử nghiệm dọc ......................................... 102 Hình 6.7:Máy phân tích, hiển thị dữ liệu và đầu dò siêu âm tổ hợp pha ............... 103 Hình 6.8:Mẫu hiệu chuẩn đầu dò và mẫu kiểm tra mối hàn đường ống ............... 103 Hình 6.9:Đầu dò và nêm nghiêng góc 55 độ ......................................................... 103 Hình 6.10:Kết quả thu được lần đo thứ 1 .............................................................. 104 Hình 6.11:Kết quả thu được lần đo thứ 2 .............................................................. 104 Hình 6.12:Kết quả thu được lần đo thứ 3 .............................................................. 105 Hình 6.13:Kết quả thu được lần đo thứ 4 .............................................................. 105 Hình 6.14:Đầu dò và nêm nghiêng góc 0 độ ......................................................... 106 Hình 6.15:Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder ............................. 106 Hình 6.16:Lựa chọn hướng di chuyển kiểm tra ..................................................... 107 Hình 6.17:Kết quả thu được trên Omni Scan Mx2 ................................................ 107 Hình 6.18:Kết quả thu được sau khi đo ................................................................. 107 Hình 6.19:Qúa trình đo và thử nghiệm .................................................................. 108 xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1:So sánh các phương án chuyển động tròn ................................................ 63 Bảng 4.2:So sánh các phương án chuyển động dọc ống .......................................... 66 Bảng 4.3:So sánh và lựa chọn phương án thanh trượt bi kết hợp truyền động đai .. 68 Bảng 4.4:So sánh và lựa chọn phương án chuyển động tròn quanh ống ................. 71 Bảng 4.5:So sánh và lựa chọn phương án cụm mang đầu dò. ................................. 73 Bảng 4.6:So sánh và lựa chọn phương án kết cấu khung sườn................................ 78 Bảng 4.7:So sánh lựa chọn cảm biến xác định sai lệch so với mối hàn .................. 80 Bảng 4.8:So sánh phương án lựa chọn thiết bị đo ................................................... 81 Bảng 4.9:So sánh các phương án tháo lắp nhanh..................................................... 86 Bảng 5.1:Danh mục các chi tiết trong bộ kẹp .......................................................... 87 Bảng 5.2:Danh mục các chi tiết trong cụm chuyển động tròn quanh ống ............... 88 Bảng 5.3:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu chuyển dộng dọc ống ....................... 89 Bảng 5.4:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu mang đầu dò..................................... 89 Bảng 5.5:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu cụm bánh xe từ................................. 90 Bảng 5.6:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò ..................... 91 Bảng 6.1:Kết quả thực nghiệm xác định lực lò xo ................................................. 100 Bảng 8.1:Các thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang [26]. ............................. 115 Bảng 8.2:Thông số kỹ thuật của máy chính Omniscan.......................................... 117 Bảng 8.3:Thông số kỹ thuật Module Phased Array ............................................... 117 Bảng 8.4:Thông số kỹ thuật ở chế độ phasor CV .................................................. 118 Bảng 8.5:Thông số kỹ thuật ở chế độ phasor DM ................................................. 119 Bảng 8.6:Thông số nêm đầu dò.............................................................................. 120 xv
CHƢƠNG 1:GIỚI THIỆU Khoa học siêu âm có lịch sử phát triển từ thế kỷ 19 với các tên tuổi lớn như: Lamb, Rayleigh, Curie, Lippman, Lebedev, Sokolov…. và cho đến nay vẫn liên tục phát triển. Ngành khoa học siêu âm này đã trở thành các kỹ thuật kiểm tra siêu âm hiện đại với nhiều ứng dụng trong cuộc sống đã xuất phát từ đại dương như trong các nỗ lực tìm kiếm phát hiện tàu ngầm trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất, thảm hoạ tàu Titanic,… Sau thế chiến thứ hai, trong khi nghiên cứu các công trình bị phá hủy, người ta nhận thấy rằng nguyên nhân gây ra phá hủy là do sự xuất hiện của các vết nứt trong kết cấu và chúng có ảnh hưởng đáng kể. Từ đó đã hình thành ngành cơ học phá hủy (Fracture Mechanics) với việc khảo sát lý thuyết và thực nghiệm về các vết nứt. Ngành cơ học này đã phát triển rất nhanh, với những công trình nghiên cứu của Irwin, David Broeke Paris,… về trường ứng suất ở lân cận đáy vết nứt; sự mở rộng, sự lan truyền của vết nứt với các dạng khác nhau. Ngày nay với sự phát triển không ngừng về kinh tế, công nghệ thì nhu cầu năng lượng ngày càng cao. Nguồn năng lượng chính hiện tại chủ yếu khai thác từ thiên nhiên các mỏ ngoài biển vì vậy đường ống đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển để đảm bảo nguồn năng lượng. An toàn trong quá trình khai thác, vận chuyển và lưu trữ đặt ra rất nhiều yêu cầu như chất lượng của các đường ống phải đảm bảo an toàn nên chúng ta phải thường xuyên kiểm tra để từ đó phát hiện những khuyết tật phòng ngừa. Đường ống ngoài biển sẽ rất dễ bị xâm thực bởi tác nhân bên ngoài và môi chất bên trong làm cho nó dễ bị ăn mòn dẫn đến đường ống bị gỉ. Môi trường bên trong ống phụ thuộc trực tiếp vào thành phần môi chất truyền dẫn trong ống có tính xâm thực cao hay thấp. Vận tốc, nhiệt độ môi chất truyền dẫn cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ ăn mòn. Các hợp chất lắng đọng tạo nên các hiện tượng gỉ sét trong ống tạo điều kiện cho sự phát triển của quá trình ăn mòn. Ăn mòn là một trong những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng đường ống. Vấn đề được đặt ra là cần xác định chính xác vị trí của các vết nứt và phân tích ứng xử động của chi tiết để từ đó có khả năng dự báo trình trạng làm việc hiện tại của chi tiết, kết cấu. Trên cơ sở đó sẽ đề xuất các giải pháp ngăn ngừa kịp thời các tai nạn, thiệt hại có thể xảy ra. Kiểm tra khuyết tật và ăn mòn thường khó có thể phát hiện được nếu không cắt hoặc tháo rời. Khuyết tật và ăn mòn làm ảnh hưởng đến cấu trúc, chiều dày nguyên bản của kim loại nếu không được phát hiện trong thời gian dài rất nguy hiểm. Hư hỏng 16
đường ống sẽ dẫn tới tổn thất về kinh tế và ô nhiễm môi trường. Vì vậy, quá trình kiểm tra khuyết tật và ăn mòn ống dẫn rất được quan tâm. Kiểm tra siêu âm là phương pháp kiểm tra không phá hủy được sử dụng rộng rãi, công việc kiểm tra khuyết tật và ăn mòn dùng đầu siêu âm tổ hợp pha (PA) đang được ứng dụng rộng rãi các nước trên thế giới nhưng ở nước ta thì vẫn còn ít đặc biệt là ứng dụng thiết bị để kiểm tra tự động thay thế cho con người. 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Đường ống dẫn có vai trò rất quan trọng trong các công trình xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thông, hoá chất, thực phẩm… Ở nước ta hiện tại ngành công nghiệp dầu khí đang được đầu tư và phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao của đất nước. Cùng với sự phát triển đó thì nhu cầukỹ thuật kiểm tra, kiểm định, đảm bảo chất lượng đường ống trong quá trình lắp đặt, vận hành, vận chuyển, bảo dưỡng cũng được quan tâm đầu tư. Một trong các kỹ thuật đó là kỹ thuật kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) rất được quan tâm vì cho kết quả nhanh, chính xác thay thế phương pháp chụp ảnh phóng xạ có nhiều nguy hiểm với sức khoẻ con người. Tuy nhiên, việc ứng dụng các thiết bị kiểm tra siêu âm tổ hợp pha để đo kiểm đánh giá chất lượng ống ở Việt Nam còn nhiều hạn chế do: - Phương pháp siêu âm tổ hợp pha chưa được ứng dụng nhiều ở nước ta.Các thiết bị siêu âm tổ hợp pha hiện tại được mua hoàn toàn từ nước ngoài. - Chưa có nhiều nghiên cứu trong nước về ứng dụng thiết bị siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra khuyết tật và ăn mòn. - Chưa có các thiết bị đồ gá chuyên dùng hỗ trợ công việc đo kiểm. - Chi phí đầu tư thiết bị kiểm tra tương đối cao. Để góp phần vào việc ứng dụng các thiết bị kiểm tra siêu âm tổ hợp pha cho việc kiểm tra đánh giá chất lượng ống, đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò kiểm tra chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm’’ đã được triển khai nghiên cứu. Đề tài được thực hiện nhằm đáp ứng được phần nào nhu cầu thực tiễn và giúp ứng dụng, làm chủ công nghệ kiểm tra, đánh giá chất lượng ống ở Việt Nam ngày một rộng rãi hơn. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Hiện nay ở nước ta, các dự án xây dựng nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, nhà máy đóng tàu... được đầu tư với số lượng ngày càng tăng. Một trong các biện pháp để đảm bảo được chất lượng và tiến độ công trình, các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) đã và đang được áp dụng rộng rãi để đánh giá chất lượng các hệ thống đường ống, các kết cấu hàn,… Phương pháp siêu âm truyền thống (UT) đã được sử dụng rộng rãi để kiểm tra khuyết tật trong nhiều thập kỷ qua nhằm đáp ứng nhu cầu kiểm tra đánh 17
giá. Gần đây, phương pháp siêu âm tổ hợp pha (PA) cho kết quả nhanh và chính xác hơn UT đã được kiểm chứng và ứng dụng khá rộng rãi. Ở nước ta, việc ứng dụng siêu âm tổ hợp pha (PA) chưa nhiều nên việc tiến hành nghiên cứu đề tài để tìm hiểu khả năng, phạm vi áp dụng kiểm tra và tiến hành chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha (PA) để kiểm tra khuyết tật nhanh chóng có các ý nghĩa sau: 1.2.1 Ý nghĩa khoa học - Đề xuất được nguyên lý, kết cấu thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng ống. - Xác định được qui trình đo kiểm và đánh giá chất lượng ống. 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn - Làm chủ được công nghệ siêu âm khuyết tật hàn và kiểm tra ăn mòn ống. - Giảm giá thành sản phẩm khi mua sản phẩm cùng tính năng từ nước ngoài. - Đưa việc kiểm tra thành tự động. - Đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực siêu âm tại Việt Nam. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Chế tạo thiết bị mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra đánh giá chất lượng ống. - Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành của thiết bị. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài - Các loại ống thép dùng trong công nghiệp có kích thước. - Các dạng khuyết tật hàn và khuyết tật mòn. - Siêu âm tổ hợp pha. - Thiết bị kiểm tra khuyết tật và ăn mòn đã có. - Cách thức phân tích, đánh giá kết quả kiểm tra. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: - Ống thép có đường kính từ 25 mm tới 250 mm (1 inch – 12 inches). - Các loại khuyết tật hàn, khuyết tật ăn mòn đường ống như:  Khuyết tật hàn ở mối hàn giáp mối ống: nứt, rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu  Khuyết tật ăn mòn ống dẫn: ăn mòn đều, ăn mòn không đều - Các loại đầu dò siêu âm, thiết bị đo siêu âm được nhập ngoại, không nghiên cứu, chế tạo. 18